Što je luk ? | Luk u prekidaču

Prije nego što detaljno razmotrimo tehnologije za ugasište luka ili ugasište luka koje se koriste u prekidaču struje, trebali bismo prvo znati što je luk.

Što je luk?

Tijekom otvaranja kontakata koji prenose struju u prekidaču struje, sredstvo između otvorenih kontakata postaje visoko jonizirano, stvarajući put niske otporne strujni tok i nastavlja protjecati kroz taj put čak i kad su kontakti fizički odvojeni. Tijekom toka struje od jednog kontakta do drugog, put postaje toliko zagrijan da svjeti. To se naziva luk.

Luk u prekidaču struje

Svaki put kada se pod opterećenjem otvore kontakti prekidača struje, postoji luk u prekidaču struje, uspostavljen između odvojenih kontakata.

Dok se luk održava između kontakata, struja kroz prekidač struje neće biti prekinuta jer luk sam po sebi predstavlja vodljiv put struje. Za potpuno prekid struje prekidačem struje neophodno je što brže ugase luk. Glavni kriterij dizajna prekidača struje je osigurati odgovarajuću tehnologiju ugasišta luka u prekidaču struje kako bi se omogućilo brz i siguran prekid struje. Stoga prije nego što prođemo kroz različite tehnike ugasišta luka koje se koriste u prekidaču struje, trebali bismo pokušati razumjeti što je luk i temeljnu teoriju luka u prekidaču struje, hajdemo razgovarati.

Termalna jonizacija zraka

Postoji nekoliko slobodnih elektrona i jona prisutnih u zraku na sobnoj temperaturi zbog ultraljubičastih zraka, kosmičkih zraka i radioaktivnosti Zemlje. Ovi slobodni elektroni i joni su tako malobrojni da su nedovoljni za održavanje provodnosti struje. Molekule zraka slučajno se kreću na sobnoj temperaturi. Pronađeno je da se molekula zraka na temperaturi od 300oK (sobna temperatura) slučajno kreće sa prosječnom brzinom od otprilike 500 metara/sekundu i sudari s drugim molekulama na stopu od 1010 puta/sekundu.

Ove slučajno se krećuća molekule često sudaraju jedne s drugima, ali kinetička energija molekula nije dovoljna da izvuče elektron iz atoma molekula. Ako se temperatura poveća, zrak će se zagrijati, a time i brzina molekula. Veća brzina znači veći udar pri međumolekularnom sudaru. U tom stanju neke molekule se razdvoje u atome. Ako se temperatura zraka još poveća, mnogi atomi will be deprived of valence electrons and make the gas ionized. Then this ionized gas can conduct electricity because of sufficient free electrons. This condition of any gas or air is called plasma. This phenomenon is called termalna jonizacija zraka.

Jonizacija zbog sudara elektrona

Kao što smo ranije raspravili, u zraku ili plinu uvijek postoje slobodni elektroni i joni, ali oni su nedovoljni za vodljivost struje. Kada se ovi slobodni elektroni suočave s jakim električnim poljem, upućeni su prema tačkama s višom potencijalom u polju i stječu dovoljno visoku brzinu. Drugim riječima, elektroni se ubrzavaju duž smjera električnog polja zbog visokog gradijenta potencijala. Tijekom svog putovanja, ovi elektroni sudaraju s drugim atomima i molekulama zraka ili plina i izvlače valentne elektrone iz njihovih orbita.

Nakon što su izvučeni iz roditeljskih atoma, elektroni će se također kretati duž smjera istog električnog polja zbog gradijenta potencijala. Ovi elektroni će na sličan način sudariti s drugim atomima i stvoriti još slobodnih elektrona koji će također biti upućeni duž električnog polja. Zbog ovog konjugativnog djelovanja broj slobodnih elektrona u plinu postaje toliko velik da plin počne voditi struju. Ovaj fenomen poznat je kao jonizacija plina zbog sudara elektrona.

Dejonizacija plina

Ako su sve uzroke jonizacije plina uklonjene iz joniziranog plina, on brzo vraća se u neutralno stanje rekombinacijom pozitivnih i negativnih napona. Proces rekombinacije pozitivnih i negativnih napona poznat je kao proces dejonizacije. U dejonizaciji difuzijom, negativni joni ili elektroni i pozitivni joni se kreću prema zidovima pod uticajem koncentracijskih gradijenti, time završavajući proces rekombinacije.

Uloga luka u prekidaču struje

Kada se dva kontakta prenose struju tek otvore, luk prelazi preko razmaka između kontakata, stvarajući put niske otpornosti za strujanje, tako da neće doći do iznenadnog prekida struje. Budući da ne postoji iznenadna i nagla promjena struje prilikom otvaranja kontakata, neće doći do neobičnog prebacivanja napona u sustavu. Ako je i struja koja teče kroz kontakte samo prije nego što se otvore, L je induktivnost sustava, prebacivanje napona prilikom otvaranja kontakata može se izraziti kao V = L.(di/dt), gdje je di/dt stopa promjene struje u odnosu na vrijeme prilikom otvaranja kontakata. U slučaju izmjenične struje luk privremeno se ugasi na svakoj nuli struje. Nakon prelaska svake nule struje, medij između odvojenih kontakata opet se jonizira u sljedećem ciklusu struje, a luk u prekidaču struje se ponovo uspostavlja. Da bi se prekid završio i uspio, ova rejonizacija između odvojenih kontakata nakon nule struje mora se spriječiti.

Ako luk u prekidaču struje nedostaje prilikom otvaranja kontakata koji prenose struju, doći će do iznenadnog i naglog prekida struje, što će dovesti do ogromnog prebacivanja napona dovoljnog da ozbiljno optereći izolaciju sustava. S druge strane, luk pruža postepan, ali brz, prijelaz od stanja prenosa struje do stanja prekida struje kontakata.

Teorija prekida luka ili ugasišta luka ili ugasišta luka

Značajke stupca luka

Na visokoj temperaturi nabijeni čestice u plinu brzo i slučajno se kreću, ali u odsutnosti električnog polja, ne dolazi do neto kretanja. Kada se električno polje primijeni na plin, nabijene čestice dobivaju drift brzinu superponiranu na njihovu slučajnu termalnu kretanje. Drift brzina proporcionalna je gradijentu napona polja i mobilnosti čestica. Mobilnost čestica ovisi o masi čestice, teže čestice, niže mobilnost. Mobilnost također ovisi o srednjim slobodnim putovima dostupnim u plinu za slučajnu kretanje čestica. Budući da svaki put kada čestica sudari, gubi svoju usmjerenu brzinu i mora se ponovno ubrzati u smjeru električnog polja. Stoga se ukupna mobilnost čestica smanji. Ako je plin pod visokim tlakom, postaje gušći, pa se molekule plina približavaju jedne drugima, stoga se sudari češće događaju, smanjujući mobilnost čestica. Ukupna struja generirana nabijenim česticama direktno je proporcionalna njihovoj mobilnosti. Stoga ovisi mobilnost nabijenih čestica o temperaturi, tlaku plina i prirodi plina. Ponovno, mobilnost čestica plina određuje stupanj jonizacije plina.

Stoga iz gornjeg objašnjenja možemo reći da proces jonizacije plina ovisi o prirodi plina (teže ili lakše čestice plina), tlaku plina i temperaturi plina. Kao što smo rekli ranije, intenzitet stupca luka ovisi o prisutnosti joniziranog medija između odvojenih električnih kontakata, stoga, posebna pažnja treba posvetiti smanjenju jonizacije ili povećanju dejonizacije medija između kontakata. Stoga glavna dizajnerska značajka prekidača struje je osigurati različite metode kontrole tlaka, metode hlađenja za različite medije luka između kontakata prekidača struje.

Gubitak topline od luka

Gubitak topline od luka u prekidaču struje događa se preko vodljivosti, konvekcije i radijacije. U prekidaču struje s običnim prekidom luka u ulju, luk u kanalima ili u uskim šparcima, gotovo svi gubici topline događaju se preko vodljivosti. U prekidaču struje s zračnim pogonom ili u prekidaču gdje je prisutan protok plina između električnih kontakata, gubitak topline plazme luka događa se preko procesa konvekcije. Na normalnom tlaku radiacija nije značajan faktor, ali na višem tlaku radiacija može postati vrlo važan faktor disipacije topline od plazme luka. Prilikom otvaranja električnih kontakata, luk u prekidaču struje se stvara i gašenje luka događa se na svakom prelasku nule struje, a zatim se ponovo uspostavlja u sljedećem ciklusu. Konačno gašenje luka ili ugasište luka u prekidaču struje postiže se brzim povećanjem dielektrične snage u mediju između kontakata, kako bi se spriječilo ponovno uspostavljanje luka nakon prelaska nule. Ovo brzo povećanje dielektrične snage između kontakata prekidača struje postiže se ili dejonizacijom plina u mediju luka ili zamjenom joniziranog plina hladnim i svježim plinom.
Postoji različitih procesa dejonizacije primijenjenih za ugasište luka u prekidaču struje, hajdemo kratko razgovarati o njima.

Dejonizacija plina zbog povećanja tlaka

Ako se poveća tlak na putu luka, gustoća joniziranog plina se povećava, što znači da se čestice u plinu približavaju jedne drugima, a rezultat toga je smanjenje srednjeg slobodnog puta čestica. To povećava stopu sudara, a kao što smo ranije raspravili, pri svakom sudaru nabijene čestice gube svoju usmjerenu brzinu duž električnog polja i ponovno se ub